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Digitaler Zwilling Definition

Was genau ist ein digitaler Zwilling?

Der Digitale Zwilling (eng. digital twin) bildet die Brücke zwischen der physischen und der digitalen Welt. Dieser Artikel geht etwas tiefer in die Materie ein und erklärt die genaue Digitale Zwilling Definition.

Denn er ist die virtuelle Repräsentanz (Darstellung) eines physischen Objekts, oder Systems im Feld. Dabei ist es irrelevant, ob das Gegenstück in der realen Welt schon existiert oder erst in Zukunft existieren wird. Er ist also nicht nur ein Datenpool, sondern fungiert als Vermittler zwischen diesen Welten. Mit einem Digitalen Zwilling lernen Systeme, Produkte und Prozesse zu kommunizieren.

Digitale Zwillinge werden in den kommenden Jahren in Forschung und Entwicklung weiter eingesetzt; schon heute ist klar, dass es sich dabei nicht um ein monolithisches Datenmodell handelt, sondern um unterschiedliche Aspekte digitaler Repräsentationen, Funktionalitäten, Modelle und Schnittstellen, die zusammen als eine große virtuelle Abbildung agieren. 

Digitaler Zwilling: Definition und Geschichte

Digitaler Zwilling Definition

Die Idee zur digitalen Zwillingstechnologie wurde erstmals 1991 durch die Publikation Mirror Worlds von David Gelernter bekannt. Dr. Michael Grieves (damals Dozent an der University of Michigan) gilt jedoch als der Erste, der das Konzept erstmals auf die Fertigung anwendete und den digitalen Zwilling formell als Softwarekonzept proklamierte. Der Begriff wurde dann im Jahr 2010 von John Vickers (NASA) eingeführt – der „digitale Zwilling“.

Entstehung

Digitale Zwillinge sind für Industrie 4.0 und die Digitalisierung der Fertigung essenziell. Ihr Inhalt entsteht in den verschiedenen Lebenszyklusphasen eines Produkts, oder einer Fabrik, mit unterschiedlichen Werkzeugen auf diversen Plattformen.

Da das physische Objekt präzise widergespiegelt werden soll, wird es mit verschiedenen Sensoren ausgestattet, die sich auf wichtige Funktionsbereiche beziehen. Diese Sensoren liefern Daten über verschiedene Leistungsaspekte des physischen Objekts wie Energieabgabe, Temperatur, Wetterbedingungen, Position, Zustand etc. Diese Daten werden anschließend an ein Verarbeitungssystem weitergeleitet und auf die digitale Kopie übertragen. 

Sobald das virtuelle Modell mit diesen Daten gefüttert worden ist, kann es eingesetzt werden, um Simulationen durchzuführen, Leistungsprobleme zu untersuchen und Optimierungsmöglichkeiten zu generieren. Diese können daraufhin wiederum für das ursprüngliche physische Objekt verwendet werden.

Ein digitaler Zwilling erfordert also drei Elemente: das abzubildende reale Objekt, den digitalen Zwilling im virtuellen Raum und Informationen, welche die beiden miteinander verbinden. 

Ein digitaler Zwilling gleicht aber nicht einer Simulation

Der entscheidende Unterschied zwischen digitalem Zwilling und Simulation bezieht sich hauptsächlich auf den Leistungsumfang: Während eine Simulation in der Regel einen normalen Prozess untersucht, kann ein digitaler Zwilling selbst eine beliebige Anzahl von Simulationen durchführen und dabei mehrere Prozesse untersuchen, sowie gleichzeitig ermöglichen, die Simulation zu steuern und Parameter zu verändern.

Auch sind Echtzeitdaten ein wichtiger Faktor. Diese sind für normale Simulationen in der Regel nicht von Vorteil. Digitale Zwillinge sind jedoch auf einen bidirektionalen Informationsfluss ausgerichtet und können schrittweise neue Daten aufnehmen, um das Modell immer aktualisiert zu halten und somit ein hochqualitatives virtuelles Abbild liefern zu können.

Die Digitale Zwilling Definition sagt aus: Digitale Zwillinge sind also in der Lage, viel mehr Probleme aus unterschiedlichen Blickwinkeln zu lösen. Sie können die operative und auch finanzielle Leistungsfähigkeit eines Objekts wie einer Anlage oder einer Dienstleistung verbessern, sowie sein Potenzial zur Optimierung erhöhen. Digitale Zwillinge werden durch sachverständige Experten sowie aus gesammelten Echtzeit-Daten der Objekte erstellt.

Ein digitaler Zwilling ist ein sehr dynamisches Modell und muss logischerweise für ein Unternehmen definiert – und nach seinen Bedürfnissen maßgeschnitten werden. DZs finden in der Produktion großen Einsatz, aber auch in der realen Welt, d. h. in einer Welt, in der Menschen ein Parameter sind. Ein Beispiel hierfür ist der Einsatz in Krankenhäusern. Das Krankenhaus, die Administratoren, Ärzte, Krankenschwestern und Patienten werden digital geklont und in einem Zwilling eingespeist, um einen Einblick in die Gesundheit der Patienten und die Arbeitsabläufe zu geben. Die bereitgestellten Analysen zeigten, dass die Krankenhäuser viel effizienter arbeiten konnten, was dann u. a. die Erfahrung der Patienten verbessert. In einem Krankenhaus konnte dadurch eine neunfache Verbesserung der Kosteneinsparungen erzielt werden.

Arten

Wichtig ist es zu unterscheiden, welche Arten von Digitalen Zwillingen es gibt. Diese sind mit dem Umfang der Detaillierung verbunden. Ein großer Unterschied liegt im Bereich der Anwendung. Allerdings ist es auch gängig, unterschiedliche Arten von digitalen Zwillingen innerhalb eines gemeinsamen Systems einzusetzen. 

In der Theorie unterscheidet man hauptsächlich zwischen Komponentenzwillingen, Asset-Zwillingen, System- oder Unit-Zwillingen und schlussendlich Prozess-Zwillingen.

Grundriss digitalisieren
    • Komponentenzwilling/Teilzwilling

    Komponentenzwillinge stellen die sogenannte Grundeinheit des digitalen Zwillings dar. Ein Teilzwilling ist ähnlich zum Komponentenzwilling strukturiert, bezieht sich jedoch auf andere, nicht so bedeutende Komponenten. Diese Zwillinge stellen den kleinsten Repräsentanten für eine Funktionskomponente dar.


    • Asset-Zwillinge

    Ein Asset besteht aus der Zusammenarbeit aus zwei, oder mehreren Komponenten. Dem Asset Zwilling ist es möglich, die Interaktion der einzelnen Komponenten zu analysieren. Diese Daten können dann aufgearbeitet – und anschließend in verwertbare Informationen verarbeitet werden.


    • Prozess-Zwillinge

    Prozess-Zwillinge sind dafür geeignet, Untersuchungen zur Zusammenarbeit von Systemen durchzuführen, um daraus eine vollständige Produktionsanlage zu schaffen. Sie werden vor allem dafür genutzt, um exakte Zeitpläne (time-slots) zu bestimmen, welche die Gesamteffizienz beeinflussen.

    Dabei untersuchen die Prozess-Zwillinge, ob verschiedene Systeme miteinander synchronisiert sind und mit maximaler Effizienz arbeiten, oder ob eine Verzögerung zwischen den Systemen vorhanden ist.


    • System- oder Unit-Zwillinge

    Die System- oder Unit-Zwillinge ermöglichen es zu untersuchen, ob unterschiedliche Assets ein funktionstüchtiges Gesamtsystem ausmachen. Dabei geben System- oder Unit-Zwillinge die Interaktion zwischen den unterschiedlichen Assets wieder und können, falls notwendig, Vorschläge zur Verbesserung offenlegen.




Digitaler Zwilling: Definition im Bauwesen

Bauwesen und Architektur: Digitale Zwillinge revolutionieren die Bauindustrie. Vor der Errichtung eines Gebäudes wird ein digitaler Zwilling erstellt, um Planung, Design und Bauprozesse zu optimieren. Architekten können mit diesen Modellen besser mit Baufirmen und Kunden kommunizieren. Sie ermöglichen eine bessere Vorhersage von Bauproblemen, was zu Zeit- und Kosteneinsparungen führt. Ein digitaler Zwilling von Bestandsgebäuden schafft zudem eine wichtige Grundlage für Sanierungs- und Modernisierungsarbeiten. Damit arbeiten alle Akteure mit demselben Modell und für den Kunden werden Nachträge minimiert, die sonst durch die Planung auf Basis von fehlerhaften Bestandsplänen ausgelöst werden.

Landwirtschaft und Lebensmittelproduktion

In der Landwirtschaft helfen digitale Zwillinge dabei, Ernteerträge zu maximieren und den Einsatz von Ressourcen zu minimieren. Sie können zum Beispiel den Boden analysieren und Erntestrategien entsprechend anpassen. In der Lebensmittelproduktion können digitale Zwillinge die Qualität und Sicherheit der Produkte sicherstellen, indem sie die gesamte Lieferkette überwachen.

Logistik und Verkehr

Digitale Zwillinge sind in der Logistikbranche unverzichtbar geworden. Sie ermöglichen eine bessere Überwachung und Steuerung von Lieferketten, wodurch Verzögerungen und Ineffizienzen reduziert werden. Im Verkehrsbereich können sie dabei helfen, Verkehrsflüsse zu analysieren und zu optimieren, um Staus zu vermeiden und die Umweltauswirkungen zu verringern. Über moderne Sensorik werden die digitalen Zwillinge über ein 3D BIM Modell per Mobiltelefon intuitiv gesteuert.

Energie- und Wasserversorgung

Energieunternehmen nutzen digitale Zwillinge, um Kraftwerke effizienter zu betreiben und den Energieverbrauch zu überwachen. Sie ermöglichen eine genauere Vorhersage von Energiebedarf und -produktion. In der Wasserversorgung können sie dazu beitragen, Wasserverluste zu identifizieren und das Verteilungsnetz effizienter zu gestalten.

Weitere Vorteile und Nutzen von digitalen Zwillingen

Verbesserung in F&E

Digitale Zwillinge revolutionieren die Forschung und Entwicklung (F&E). Sie ermöglichen ein experimentelles Umfeld für risikofreie Tests neuer Konzepte, was den Innovationsprozess beschleunigt und zu kostengünstigeren Prototypen führt.

Effizienzsteigerung

Durch digitale Zwillinge wird die Effizienz in verschiedenen Prozessen signifikant gesteigert. Sie ermöglichen präzise Simulationen, die zu optimierten Abläufen und reduzierten Ausfallzeiten führen, insbesondere in komplexen Systemen wie der Fertigungsindustrie.

Produktlebenszyklus

Im Kontext des Produktlebenszyklus bieten digitale Zwillinge einen umfassenden Überblick von der Konzeption bis zum Recycling. Dies führt zu kontinuierlicher Verbesserung und Anpassung, was die Langlebigkeit und Nachhaltigkeit von Produkten erhöht.

Voxelgrid nutzt die Kraft digitaler Zwillinge, um diese Vorteile in messbare Erfolge umzusetzen, wodurch komplexe Herausforderungen effektiv gemeistert werden.